專利名稱：液相燒結SiC-TiC復合陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及液相燒結SiC-TiC復合陶瓷及其制備方法，屬于高溫陶瓷領域。
背景技術：
碳化硅陶瓷材料具有高溫強度大、高溫抗氧化性強、耐磨損性能好、熱穩(wěn)定性佳、 熱膨脹系數(shù)低、熱導率大、硬度高、抗熱震和耐化學腐蝕等優(yōu)良性能，在汽車、機械加工、冶金、空間技術、石油化工、能源等領域有著廣泛的應用前景，但其高脆性嚴重制約了它的廣泛使用。如要進一步提高碳化硅陶瓷的性能，關鍵在于解決其脆性問題。陶瓷的增韌方式主要有相變增韌、纖維(晶須)增韌、顆粒增韌以及復合增韌。目前報道的增韌碳化硅陶瓷多為含有碳化硅晶須或碳纖維的增韌碳化硅陶瓷，但這兩種方法制備成本高，且在制造過程中，長徑比高的碳化硅晶須及碳纖維較難與其他碳化硅陶瓷生產(chǎn)原料混合均勻，這在一定程度上影響了相應增韌碳化硅陶瓷成品的均勻性。另外，碳化硅晶須和碳纖維在生產(chǎn)過程中容易吸入體內(nèi)，對人的身體健康有害。顆粒增韌即陶瓷增韌方法中最簡單的一種方法，具有同時提高材料強度和韌性的許多優(yōu)點。影響第二相顆粒復合材料增韌效果的主要因素為基體與第二相顆粒的彈性模量 E、熱膨脹系數(shù)α及兩項的化學相容性。其中化學相容性是復合的前提，兩項之間不能存在過多的化學反應，同時又必須具有合適的界面綜合強度?；谏鲜鲆?，本發(fā)明選取高熔點 (3067°C)、高硬度(28Gpa-35Gpa)等優(yōu)良性能的TiC作為增強相。傳統(tǒng)方法制備TiC-SiC復合材料大多是通過燒結TiC和SiC混合粉體來實現(xiàn)，但需要很高的溫度(2000°C左右)才能致密化。近年來，國內(nèi)外的研究焦點主要集中在一種新的燒結方法——液相燒結上，即以一定量的單元或多元低共熔氧化物為助燒結劑，在較低溫度下實現(xiàn)碳化硅陶瓷的致密化。低溫液相燒結同固相燒結相比在結構上得到明顯的改善——晶粒細小均勻且成等軸晶狀，同時由于界面液相的引入和獨特的界面結合弱化，材料的斷裂也變?yōu)橥耆难鼐嗔涯Ｊ?，材料的強度和韌性顯著提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種高韌性、高強度的液相燒結SiC-TiC復合陶瓷及其制備方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案
液相燒結SiC-TiC復合陶瓷，其特征在于它是將15 50wt%的碳化鈦，40 80wt%的碳化硅，5 10wt%的助燒結劑混合，得到混合物，所述的助燒結劑由Al2O3和^O3按重量比為1 2 2 1配比而得，然后加入混合物總重量30 40wt%的蒸餾水和混合物總重量1 3襯％的有機結合劑，經(jīng)配料、制漿、成型、干燥、燒結而得到的。按上述方案，所述有機結合劑由檸檬酸氫二銨和聚丙烯醇按重量比為1:2 2:1 配比而得。按上述方案，所述的碳化硅為α -SiC和β -SiC的混合物，平均粒徑為1 3 μ m。
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按上述方案，所述的碳化鈦平均粒徑為1 2 μ m。液相燒結SiC-TiC復合陶瓷的制備方法，其特征在于包括以下步驟 配料按上述配比選取原料；
制漿先在蒸餾水中加入經(jīng)球磨混合均勻的助燒結劑粉末，攪拌，再加入碳化硅、碳化鈦粉末，攪拌，最后加入有機結合劑持續(xù)攪拌直到料漿均勻混合； 成型采用實心注漿法進行注漿，得到成型胚體； 干燥成型坯體脫模，干燥；
燒結將干燥坯體放入真空爐，升溫到1850°C 2000°C進行液相燒結0. 5 1. 5小時， 制得SiC-TiC復合陶瓷。按上述方案，所述的干燥溫度為45°C 75°C，干燥時間為60 72小時； 按上述方案，所述液相燒結SiC-TiC復合陶瓷的制備方法還包括精整步驟將SiC-TiC
復合陶瓷經(jīng)精磨加工程序制得TiC-SiC復合陶瓷精加工品。本發(fā)明將TiC作為碳化硅陶瓷的增強相，其特點在于一方面TiC(7. 4X10-6)和 SiC(4. 8X 10-6)熱膨脹系數(shù)失配，從而在TiC顆粒和周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應力場，由此產(chǎn)生的微裂紋有利于材料韌性的提高。另一方面，TiC晶體在溫度> 800°C時會發(fā)生塑性變形，造成裂紋尖端區(qū)域發(fā)生形變，從而導致在材料在高溫下更加堅韌。除此，TiC和SiC在高溫下不發(fā)生化學反應。本發(fā)明所述的助燒結劑為A1203+Y203，從Al2O3-Y2O3的二元相圖可以看出，其存在三個低3個低共熔化合物，YAG (Y3AW12，熔點1760°C), YAP (YAlO3，熔點1850°C), YAM (Y4A12O9，熔點1940°C)。應用該體系燒結助劑可以在較低溫度下(1850°C)實現(xiàn)碳化硅陶瓷的致密化。本發(fā)明采用檸檬酸氫二銨和聚丙烯醇按重量比為1:2 2:1配比后作為有機結合劑，能使助燒結劑助燒結劑、TiC及SiC在料漿中分散均勻，不易沉降，大大增加產(chǎn)品在高溫下的各項指標。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明制備的SiC-TiC復合陶瓷致密度高，耐磨性能好，韌性好。與普通單相碳化硅陶瓷材料相比，本發(fā)明的SiC-TiC復合陶瓷的比重由3. lg/cm3提高到3. 47g/cm3,常溫抗折強度由260Mpa提高到580Mpa，1200°C抗折強度由280Mpa提高到400Mpa，斷裂韌性由 3. 2Mpa · m1/2提高到7. SMPa · m1/2,具有廣闊的應用前景。
具體實施例方式實例1
配料將按重量百分比計為TiC15%，SiC80%, Al2O3 1. 7%、Y2033. 3%選取原料備用，所述碳化硅為α -SiC和β -SiC的混合物，平均粒徑為1 3 μ m，碳化鈦平均粒徑為1 2 μ m， 蒸餾水的重量為原料TiC，SiC, Al2O3和IO3總重量的40%，檸檬酸氫二銨為原料TiC，SiC, Al2O3和Y2O3總重量的0. 5%，聚丙烯醇為原料TiC, SiC, Al2O3和Y2O3總重量的1% ；
制漿先在蒸餾水中加入經(jīng)球磨證混合均勻的Al2O3J2O3粉末攪拌5 10小時后，再加入碳化硅、碳化鈦粉末進行攪拌3 5個小時，最后加入有機結合劑攪拌10小時以上，直到料漿均勻混合；
4成型采用實心注漿法進行注漿，得到成型胚體； 干燥成型坯體脫模后45°C 75°C干燥箱內(nèi)進行60 72小時的烘干； 燒結將修整好的干燥坯體放入真空爐，升溫到1850°C 2000°C進行液相燒結0. 5 1. 5小時，制得TiC-SiC復合陶瓷坯體材料；
精整將經(jīng)過燒結后的坯體經(jīng)精磨加工程序后，制得TiC-SiC復合陶瓷精加工品。實例2
配料將按重量百分比計為TiC 30%, SiC 60%, Al2O3 6. 6%, Y2O3 3. 4%選取原料備用， 所述碳化硅為α -SiC和β -SiC的混合物，平均粒徑為1 3 μ m，碳化鈦平均粒徑為1 2 μ m,蒸餾水的重量為原料TiC，SiC, Al2O3和^O3總重量的30%，檸檬酸氫二銨的重量為原料TiC, SiC, Al2O3和Y2O3總重量的1%，聚丙烯醇的重量為原料TiC, SiC, Al2O3和Y2O3總重量的1% ；
其余制備步驟同實例1。實例3
配料將按重量百分比計為TiC 50%, SiC 43%，Al2O3 3. 6%、Y2O3 3. 4%選取原料備用， 所述碳化硅為α -SiC和β -SiC的混合物，平均粒徑為1 3 μ m，碳化鈦平均粒徑為1 2 μ m,蒸餾水的重量為原料TiC，SiC, Al2O3和^O3總重量的35%，檸檬酸氫二銨的重量為原料TiC, SiC, Al2O3和Y2O3總重量的1%，聚丙烯醇的重量為原料TiC, SiC, Al2O3和Y2O3總重量的1 ；
其余制備步驟同實例1。對照例1
配料將按重量百分比計為TiC 0%, SiC 93%, Al2O3 3. 6%, Y2O3 3. 4%選取原料備用， 所述碳化硅為α -SiC和β -SiC的混合物，平均粒徑為1 3 μ m，碳化鈦平均粒徑為1 2 μ m,蒸餾水的重量為原料TiC，SiC, Al2O3和^O3總重量的40%，檸檬酸氫二銨的重量為原料SiC，Al2O3和IO3總重量的0. 5%，聚丙烯醇的重量為原料SiC，Al2O3和總重量的1% ；
其余制備步驟同實例1。
實例1-4的SiC-TiC復合陶瓷性能檢測
檢測項目實例1實例2實例3對照例1普通SiC陶瓷體積密度(g/cm3)3. 313. 403. 473. 12. 65常溫抗折強度(Mpa)440470580260160120CTC抗折強度(Mpa)32036040028045斷裂韌性(Mpa. m1/2)4. 86. 17. 83. 23. 0
由實例可以看出，隨著TiC的含量增加，SiC-TiC復合陶瓷的密度、強度和韌性也隨之增加，當TiC含量達到50%時，密度達到3. 47，抗折強度達到最大(常溫580Mpa，1200°C 400Mpa)，斷裂韌性達到最大(7. 8Mpa. m"2)，遠遠超過普通單相碳化硅陶瓷性能。
權利要求
1.液相燒結SiC-TiC復合陶瓷，其特征在于它是將15 50wt%的碳化鈦，40 80wt% 的碳化硅，5 10wt%的助燒結劑混合，得到混合物，所述的助燒結劑由Al2O3和^O3按重量比為1:2 2:1配比而得，然后加入混合物總重量30 40wt%的蒸餾水和混合物總重量 1 3wt%的有機結合劑，經(jīng)配料、制漿、成型、干燥、燒結而得到的。
2.根據(jù)權利要求1所述的液相燒結SiC-TiC復合陶瓷，其特征在于所述有機結合劑由檸檬酸氫二銨和聚丙烯醇按重量比為1:2 2:1配比而得。
3.根據(jù)權利要求1所述的液相燒結SiC-TiC復合陶瓷的制備方法，其特征在于包括以下步驟配料按上述配比選取原料；制漿先在蒸餾水中加入經(jīng)球磨混合均勻的助燒結劑粉末，攪拌，再加入碳化硅、碳化鈦粉末，攪拌，最后加入有機結合劑持續(xù)攪拌直到料漿均勻混合；成型采用實心注漿法進行注漿，得到成型胚體；干燥成型坯體脫模，干燥；燒結將干燥坯體放入真空爐，升溫到1850°C 2000°C進行液相燒結0. 5 1. 5小時， 制得SiC-TiC復合陶瓷。
4.根據(jù)權利要求3所述的液相燒結SiC-TiC復合陶瓷的制備方法，其特征在于所述的碳化硅為α -SiC和β -SiC的混合物，平均粒徑為1 3 μ m。
5.根據(jù)權利要求3所述的液相燒結SiC-TiC復合陶瓷的制備方法，其特征在于所述的碳化鈦平均粒徑為1 2 μ m。
6.根據(jù)權利要求3所述的液相燒結SiC-TiC復合陶瓷的制備方法，其特征在于所述的干燥溫度為45°C 75°C，干燥時間為60 72小時。
7.根據(jù)權利要求3所述的液相燒結SiC-TiC復合陶瓷的制備方法，其特征在于它還包括精整步驟；將SiC-TiC復合陶瓷經(jīng)精磨加工程序制得TiC-SiC復合陶瓷精加工品。
全文摘要
本發(fā)明涉及液相燒結SiC-TiC復合陶瓷及其制備方法，屬于高溫陶瓷領域。液相燒結SiC-TiC復合陶瓷，其特征在于它是將15～50wt%的碳化鈦，40～80wt%的碳化硅，5～10wt%的助燒結劑混合，得到混合物，所述的助燒結劑由Al2O3和Y2O3按重量比為1:2～2:1配比而得，然后加入混合物總重量30～40wt%的蒸餾水和混合物總重量1～3wt%的有機結合劑，經(jīng)配料、制漿、成型、干燥、燒結而得到的。本發(fā)明制備的SiC-TiC復合陶瓷致密度高，耐磨性能好，韌性好，具有廣闊的應用前景。
文檔編號C04B35/565GK102390999SQ20111022760
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權日2011年8月10日
發(fā)明者何見林, 宋儀杰, 徐志華, 徐超, 洪學勤, 田先明, 秦常杰, 陳光勝, 雷中興, 龔仕順 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司